Charakterizuje sa sila ako vektorová veličina modul , smer A „bod“ aplikácie silu. Posledným parametrom sa koncept sily ako vektora vo fyzike líši od konceptu vektora vo vektorovej algebre, kde vektory rovnaké vo veľkosti a smere, bez ohľadu na miesto ich aplikácie, sa považujú za rovnaký vektor. Vo fyzike sa tieto vektory nazývajú voľné vektory. V mechanike je veľmi bežná myšlienka spojených vektorov, ktorých začiatok je pevný v určitom bode v priestore alebo môže byť umiestnený na priamke, ktorá pokračuje v smere vektora. (kĺzavé vektory). .
Používa sa aj koncept siločiara, označujúca priamku prechádzajúcu bodom pôsobenia sily, pozdĺž ktorej je sila nasmerovaná.
Rozmer sily je LMT −2, jednotkou merania v Medzinárodnej sústave jednotiek (SI) je newton (N, N), v sústave CGS je to dyne.
História konceptu
Pojem sily používali starovekí vedci vo svojich prácach o statike a pohybe. Študoval sily v procese konštrukcie jednoduchých mechanizmov v 3. storočí. BC e. Archimedes. Aristotelove predstavy o sile, ktoré zahŕňajú zásadné nezrovnalosti, pretrvávali niekoľko storočí. Tieto nezrovnalosti boli odstránené v 17. storočí. Isaac Newton pomocou matematických metód na opis sily. Newtonovská mechanika zostala všeobecne akceptovaná takmer tristo rokov. Do začiatku 20. storočia. Albert Einstein v teórii relativity ukázal, že newtonovská mechanika je správna len pri relatívne nízkych rýchlostiach pohybu a hmotnosti telies v systéme, čím objasnil základné princípy kinematiky a dynamiky a opísal niektoré nové vlastnosti časopriestoru.
Newtonovská mechanika
Isaac Newton sa rozhodol opísať pohyb objektov pomocou konceptov zotrvačnosti a sily. Keď to urobil, súčasne zistil, že všetky mechanické pohyby sa riadia všeobecnými zákonmi zachovania. V Newtonovi publikoval svoje slávne dielo „“, v ktorom načrtol tri základné zákony klasickej mechaniky (slávne Newtonove zákony).
Newtonov prvý zákon
Presne rovnakým spôsobom sa napríklad uplatňujú zákony mechaniky v zadnej časti nákladného auta, keď jazdí po rovnom úseku cesty konštantnou rýchlosťou a keď stojí. Osoba môže hodiť loptu kolmo nahor a chytiť ju po určitom čase na tom istom mieste, bez ohľadu na to, či sa vozík pohybuje rovnomerne a v priamom smere alebo je v pokoji. Pre neho letí lopta v priamom smere. Pre vonkajšieho pozorovateľa na zemi však trajektória lopty vyzerá ako parabola. Je to spôsobené tým, že loptička sa počas letu pohybuje vzhľadom na zem nielen vertikálne, ale aj horizontálne zotrvačnosťou v smere pohybu vozíka. Pre človeka na korbe nákladného auta je jedno, či sa kamión pohybuje po ceste, alebo či sa okolitý svet pohybuje konštantnou rýchlosťou v protismere a kamión stojí. Stav pokoja a rovnomerný priamočiary pohyb sú teda navzájom fyzicky nerozoznateľné.
Druhý Newtonov zákon
Podľa definície hybnosti:
kde je hmotnosť, je rýchlosť.
Ak hmotnosť hmotného bodu zostane nezmenená, potom je časová derivácia hmotnosti nulová a rovnica má tvar:
Tretí Newtonov zákon
Pre ľubovoľné dve telesá (nazvime ich teleso 1 a teleso 2) platí tretí Newtonov zákon, že sila pôsobenia telesa 1 na teleso 2 je sprevádzaná objavením sa sily rovnakej veľkosti, ale opačného smeru, pôsobiacej na teleso. 1 z tela 2. Matematicky je zákon napísaný takto:
Tento zákon znamená, že sily sa vždy vyskytujú v pároch akcia-reakcia. Ak sú teleso 1 a teleso 2 v rovnakom systéme, potom je celková sila v systéme v dôsledku interakcie týchto telies nulová:
To znamená, že v uzavretom systéme neexistujú nevyvážené vnútorné sily. To vedie k tomu, že ťažisko uzavretého systému (teda takého, na ktorý nepôsobia vonkajšie sily) sa nemôže pohybovať so zrýchlením. Jednotlivé časti systému sa môžu zrýchľovať, ale len tak, aby systém ako celok zostal v stave pokoja alebo rovnomerného lineárneho pohybu. Ak však na systém pôsobia vonkajšie sily, jeho ťažisko sa začne pohybovať so zrýchlením úmerným vonkajšej výslednej sile a nepriamo úmerným hmotnosti systému.
Základné interakcie
Všetky sily v prírode sú založené na štyroch typoch základných interakcií. Maximálna rýchlosť šírenia všetkých typov interakcií sa rovná rýchlosti svetla vo vákuu. Elektromagnetické sily pôsobia medzi elektricky nabitými telesami, gravitačné sily pôsobia medzi masívnymi predmetmi. Silné a slabé sa objavujú len na veľmi krátke vzdialenosti, sú zodpovedné za vznik interakcií medzi subatomárnymi časticami vrátane nukleónov, z ktorých sa atómové jadrá skladajú.
Intenzita silných a slabých interakcií sa meria v energetických jednotiek(elektrónvolty), nie jednotky sily, a preto použitie pojmu „sila“ na ne sa vysvetľuje tradíciou prevzatou z antiky na vysvetlenie akýchkoľvek javov v okolitom svete pôsobením „síl“ špecifických pre každý jav.
Pojem sily nemožno aplikovať na javy subatomárneho sveta. Ide o pojem z arzenálu klasickej fyziky, spojený (aj keď len podvedome) s newtonovskými predstavami o silách pôsobiacich na diaľku. V subatomárnej fyzike už takéto sily neexistujú: sú nahradené interakciami medzi časticami vyskytujúcimi sa v poliach, teda niektorými inými časticami. Preto sa fyzici vysokých energií vyhýbajú používaniu tohto slova sila, pričom ho nahradíme slovom interakcia.
Každý typ interakcie je spôsobený výmenou zodpovedajúcich nosičov interakcie: gravitačná - výmena gravitónov (existencia nebola experimentálne potvrdená), elektromagnetická - virtuálne fotóny, slabé - vektorové bozóny, silné - gluóny (a na veľké vzdialenosti - mezóny) . V súčasnosti sú elektromagnetické a slabé sily kombinované do základnej elektroslabej sily. Uskutočňujú sa pokusy spojiť všetky štyri základné interakcie do jednej (takzvaná veľká zjednotená teória).
Všetku rozmanitosť síl prejavujúcich sa v prírode možno v zásade zredukovať na tieto štyri základné interakcie. Napríklad trenie je prejavom elektromagnetických síl pôsobiacich medzi atómami dvoch kontaktných plôch a Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý zabraňuje prenikaniu atómov do vzájomnej oblasti. Sila generovaná deformáciou pružiny, opísaná Hookovým zákonom, je tiež výsledkom elektromagnetických síl medzi časticami a Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý núti atómy kryštálovej mriežky látky držať v blízkosti rovnovážnej polohy. .
Takáto podrobná úvaha o pôsobení síl sa však v praxi ukazuje nielen ako nevhodná, ale v podmienkach daného problému aj jednoducho nemožná.
Gravitácia
Gravitácia ( gravitácia) - univerzálna interakcia medzi akýmikoľvek druhmi hmoty. V rámci klasickej mechaniky ho popisuje zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Isaac Newton vo svojom diele „Matematické princípy prírodnej filozofie“. Newton získal veľkosť zrýchlenia, s ktorým sa Mesiac pohybuje okolo Zeme, pričom pri výpočte vychádzal z toho, že sila gravitácie klesá nepriamo úmerne k druhej mocnine vzdialenosti od gravitujúceho telesa. Okrem toho tiež zistil, že zrýchlenie spôsobené priťahovaním jedného tela druhým je úmerné súčinu hmotností týchto telies. Na základe týchto dvoch záverov bol formulovaný gravitačný zákon: akékoľvek častice materiálu sú k sebe priťahované silou priamo úmernou súčinu hmotností ( a ) a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:
Tu je gravitačná konštanta, ktorej hodnotu prvýkrát získal vo svojich experimentoch Henry Cavendish. Pomocou tohto zákona môžete získať vzorce na výpočet gravitačnej sily telies ľubovoľného tvaru. Newtonova teória gravitácie dobre popisuje pohyb planét slnečnej sústavy a mnohých iných nebeských telies. Vychádza však z koncepcie pôsobenia na veľké vzdialenosti, čo je v rozpore s teóriou relativity. Preto klasická teória gravitácie nie je použiteľná na popis pohybu telies pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, gravitačných polí extrémne masívnych objektov (napríklad čiernych dier), ako aj premenných gravitačných polí vytvorených pohybujúcich sa telies na veľké vzdialenosti od nich.
Elektromagnetická interakcia
Elektrostatické pole (pole stacionárnych nábojov)
Rozvoj fyziky po Newtonovi pridal k trom hlavným veličinám (dĺžka, hmotnosť, čas) elektrický náboj s rozmerom C. Na základe praktických požiadaviek založených na pohodlnosti merania sa však namiesto náboja často používal elektrický prúd s rozmerom I. , a ja = CT − 1 . Jednotkou merania množstva náboja je coulomb a jednotkou prúdu je ampér.
Pretože náboj ako taký neexistuje nezávisle od telesa, ktoré ho nesie, elektrická interakcia telies sa prejavuje vo forme tej istej sily uvažovanej v mechanike, ktorá slúži ako príčina zrýchlenia. Vo vzťahu k elektrostatickej interakcii dvoch „bodových nábojov“ vo vákuu sa používa Coulombov zákon:
kde je vzdialenosť medzi nábojmi a ε 0 ≈ 8,854187817·10 −12 F/m. V homogénnej (izotropnej) látke v tomto systéme interakčná sila klesá ε krát, kde ε je dielektrická konštanta prostredia.
Smer sily sa zhoduje s čiarou spájajúcou bodové náboje. Graficky je elektrostatické pole zvyčajne znázornené ako obraz siločiar, čo sú imaginárne trajektórie, po ktorých by sa pohybovala nabitá častica bez hmotnosti. Tieto čiary začínajú jedným nábojom a končia druhým.
Elektromagnetické pole (jednosmerné pole)
Existenciu magnetického poľa rozpoznali už v stredoveku Číňania, ktorí používali „láskavý kameň“ - magnet, ako prototyp magnetického kompasu. Graficky je magnetické pole zvyčajne znázornené vo forme uzavretých siločiar, ktorých hustota (ako v prípade elektrostatického poľa) určuje jeho intenzitu. Historicky vizuálnym spôsobom vizualizácie magnetického poľa boli železné piliny nasypané napríklad na kus papiera umiestnený na magnete.
Odvodené druhy síl
Elastická sila- sila, ktorá vzniká pri deformácii telesa a pôsobí proti tejto deformácii. V prípade elastických deformácií je to potenciál. Elastická sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Elastická sila smeruje proti posunutiu, kolmo na povrch. Vektor sily je opačný k smeru molekulového posunu.
Trecia sila- sila, ktorá vzniká pri relatívnom pohybe pevných telies a pôsobí proti tomuto pohybu. Vzťahuje sa na disipatívne sily. Trecia sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Vektor trecej sily smeruje opačne k vektoru rýchlosti.
Stredná sila odporu- sila, ktorá vzniká pri pohybe pevného telesa v kvapalnom alebo plynnom prostredí. Vzťahuje sa na disipatívne sily. Odporová sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Vektor ťahovej sily smeruje opačne k vektoru rýchlosti.
Normálna sila reakcie na zemi- elastická sila pôsobiaca z podpery na telo. Nasmerované kolmo na povrch podpery.
Sily povrchového napätia- sily vznikajúce na povrchu fázového rozhrania. Má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Ťahová sila smeruje tangenciálne k rozhraniu; vzniká v dôsledku nekompenzovanej príťažlivosti molekúl nachádzajúcich sa na fázovej hranici molekulami, ktoré sa na fázovej hranici nenachádzajú.
Osmotický tlak
Van der Waalsove sily- elektromagnetické medzimolekulové sily, ktoré vznikajú pri polarizácii molekúl a vzniku dipólov. Van der Waalsove sily rýchlo klesajú s rastúcou vzdialenosťou.
Zotrvačná sila- fiktívna sila zavedená do neinerciálnych referenčných sústav tak, aby v nich bol splnený druhý Newtonov zákon. Najmä v referenčnom systéme spojenom s rovnomerne zrýchleným telesom je zotrvačná sila nasmerovaná opačne ako zrýchlenie. Pre pohodlie môžu byť odstredivá sila a Coriolisova sila oddelené od celkovej zotrvačnej sily.
Výsledný
Pri výpočte zrýchlenia telesa sa všetky sily pôsobiace na teleso nahradia jednou silou, ktorá sa nazýva výslednica. Je to geometrický súčet všetkých síl pôsobiacich na teleso. Okrem toho pôsobenie každej sily nezávisí od pôsobenia iných síl, to znamená, že každá sila udeľuje telu rovnaké zrýchlenie, aké by udelila bez pôsobenia iných síl. Toto tvrdenie sa nazýva princíp nezávislosti pôsobenia síl (princíp superpozície).
pozri tiež
Zdroje
- Grigoriev V.I., Myakishev G.Ya. - „Sily v prírode“
- Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mechanika - 5. vydanie, stereotypné. - M.: Fizmatlit, 2004. - 224 s. - („Teoretická fyzika“, zväzok I). - .
Poznámky
- Slovník pojmov. Observatórium Zeme. NASA. - "Sila je akýkoľvek vonkajší faktor, ktorý spôsobuje zmenu pohybu voľného telesa alebo výskyt vnútorných napätí v pevnom tele."(Angličtina)
- Bronshtein I. N. Semendyaev K. A. Príručka matematiky. M.: Vydavateľstvo "Veda" Redakcia referenčnej fyzikálnej a matematickej literatúry.1964.
V prírode existujú štyri druhy síl: gravitačné, elektromagnetické, jadrové a slabé.
Gravitačné sily alebo gravitácia, konať medzi všetkými orgánmi. Ale tieto sily sú viditeľné, ak aspoň jedno z telies má rozmery porovnateľné s veľkosťou planét. Príťažlivé sily medzi bežnými telesami sú také malé, že ich možno zanedbať. Preto sily interakcie medzi planétami, ako aj medzi planétami a Slnkom alebo inými telesami, ktoré majú veľmi veľkú hmotnosť, možno považovať za gravitačné. Môžu to byť hviezdy, satelity planét atď.
Elektromagnetické sily pôsobia medzi telesami s elektrickým nábojom.
Jadrové sily(silní) sú najmocnejší v prírode. Pôsobia vo vnútri jadier atómov vo vzdialenosti 10 -13 cm.
Slabé sily, podobne ako jadrové, pôsobia na krátke vzdialenosti rádovo 10 -15 cm.V dôsledku ich pôsobenia dochádza vo vnútri jadra k procesom.
Mechanika berie do úvahy gravitačné sily, elastické sily a trecie sily.
Gravitačné sily
Je opísaná gravitácia zákon univerzálnej gravitácie. Tento zákon bol v strede načrtnutý Newtonom XVII V. v diele „Matematické princípy prírodnej filozofie“.
Podľa gravitácienazývaná gravitačná sila, ktorou sa akékoľvek hmotné častice navzájom priťahujú.
Sila, ktorou sa častice materiálu navzájom priťahujú, je priamo úmerná súčinu ich hmotností a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. .
G – gravitačná konštanta, ktorá sa číselne rovná modulu gravitačnej sily, ktorou teleso s jednotkovou hmotnosťou pôsobí na teleso s rovnakou jednotkovou hmotnosťou a nachádzajúce sa v jednotkovej vzdialenosti od neho.
G = 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 alebo N m² kg −2.
Na povrchu Zeme sa gravitačná sila (gravitačná sila) prejavuje ako gravitácia.
Vidíme, že akýkoľvek predmet hodený v horizontálnom smere stále padá dole. Akýkoľvek predmet vyhodený hore tiež spadne. Deje sa tak pod vplyvom gravitácie, ktorá pôsobí o akékoľvek hmotné teleso nachádzajúce sa v blízkosti povrchu Zeme. Na telesá a na povrchy iných astronomických telies pôsobí gravitačná sila. Táto sila smeruje vždy kolmo nadol.
Vplyvom gravitácie sa teleso pohybuje smerom k povrchu planéty so zrýchlením, ktoré je tzv zrýchlenie voľného pádu.
Gravitačné zrýchlenie na povrchu Zeme označujeme písmenom g .
Ft = mg ,
teda,
g = Ft / m
g = 9,81 m/s 2 na zemských póloch a na rovníku g = 9,78 m/s2.
Pri riešení jednoduchých fyzikálnych problémov je hodnota g sa považuje za rovnú 9,8 m/s2.
Klasická teória gravitácie je použiteľná len pre telesá, ktorých rýchlosť je oveľa nižšia ako rýchlosť svetla.
Elastické sily
Elastické sily sa nazývajú sily, ktoré vznikajú v telese v dôsledku deformácie, spôsobujúcej zmenu jeho tvaru alebo objemu. Tieto sily sa vždy snažia vrátiť telo do pôvodnej polohy.
Počas deformácie sa častice tela premiestňujú. Elastická sila je nasmerovaná v smere opačnom k smeru pohybu častíc. Ak sa deformácia zastaví, elastická sila zmizne.
Anglický fyzik Robert Hooke, súčasník Newtona, objavil zákon, ktorý vytvára spojenie medzi silou pružnosti a deformáciou telesa.
Pri deformácii telesa vzniká elastická sila, ktorá je priamo úmerná predĺženiu telesa a má smer opačný ako pohyb častíc pri deformácii.
F = k ∆ l ,
Kde Komu – tuhosť karosérie alebo koeficient pružnosti;
∆ l – veľkosť deformácie ukazujúca veľkosť predĺženia telesa pod vplyvom elastických síl.
Hookov zákon platí pre elastické deformácie, keď je predĺženie telesa malé a teleso obnoví svoje pôvodné rozmery po zmiznutí síl, ktoré túto deformáciu spôsobili.
Ak je deformácia veľká a telo sa nevráti do pôvodného tvaru, Hookov zákon neplatí. O Veľmi veľké deformácie spôsobujú deštrukciu tela.
Trecie sily
Trenie nastáva, keď sa jedno teleso pohybuje na povrchu druhého. Má elektromagnetickú povahu. Je to dôsledok interakcie medzi atómami a molekulami kontaktujúcich telies. Smer trecej sily je opačný ako smer pohybu.
Rozlišovať suché A kvapalina trenie. Trenie sa nazýva suché, ak medzi telesami nie je vrstva kvapaliny alebo plynu.
Charakteristickým znakom suchého trenia je statické trenie, ku ktorému dochádza, keď sú telesá v relatívnom pokoji.
Rozsah statické trecie sily vždy sa rovná veľkosti vonkajšej sily a smeruje opačným smerom. Sila statického trenia bráni pohybu telesa.
Suché trenie sa zase delí na trenie sklzu a trenie valcovanie.
Ak veľkosť vonkajšej sily presiahne veľkosť trecej sily, dôjde k skĺznutiu a jedno z kontaktujúcich telies sa začne pohybovať dopredu vzhľadom na druhé teleso. A trecia sila sa bude nazývať posuvná trecia sila. Jeho smer bude opačný ako smer posúvania.
Sila klzného trenia závisí od sily, ktorou sa telesá na seba tlačia, od stavu trecích plôch, od rýchlosti pohybu, ale nezávisí od oblasti kontaktu.
Posuvná trecia sila jedného telesa na povrchu druhého sa vypočíta podľa vzorca:
F tr. = kN ,
Kde k – koeficient klzného trenia;
N – normálna reakčná sila pôsobiaca na teleso z povrchu.
Valivá trecia sila sa vyskytuje medzi telesom, ktoré sa valí po povrchu a samotným povrchom. Takéto sily vznikajú napríklad pri kontakte pneumatík automobilov s povrchom vozovky.
Veľkosť valivej trecej sily sa vypočíta podľa vzorca
Kde Ft – sila valivého trenia;
f – koeficient valivého trenia;
R – polomer valivého telesa;
N – prítlačná sila.
Newtonove zákony
Newtonov prvý zákon
Existujú také referenčné systémy, ktoré sa nazývajú inerciálne, voči ktorým si telesá zachovávajú svoju rýchlosť nezmenenú, ak na ne nepôsobia iné telesá alebo je kompenzované pôsobenie iných síl.
Newtonov zákon II
Zrýchlenie telesa je priamo úmerné výsledným silám pôsobiacim na teleso a nepriamo úmerné jeho hmotnosti:
Newtonov zákon III
Sily, ktorými na seba dve telesá pôsobia, sú rovnako veľké a opačného smeru.
Druhy síl
Elastická sila nazývaná sila, ktorá vzniká v telese pri zmene jeho tvaru alebo veľkosti. K tomu dochádza, keď je telo stlačené, natiahnuté, ohnuté alebo skrútené. Napríklad elastická sila vznikla v pružine v dôsledku jej stlačenia a pôsobí na tehlu.
Elastická sila smeruje vždy opačne k sile, ktorá spôsobila zmenu tvaru alebo veľkosti telesa. V našom príklade padajúca tehla stlačila pružinu, to znamená, že na ňu pôsobila silou smerujúcou nadol. V dôsledku toho vznikla v pružine elastická sila smerujúca opačným smerom, to znamená nahor. Môžeme to potvrdiť pozorovaním odskoku tehly.
Hookov zákon: elastická sila vznikajúca v deformovanom telese je priamo úmerná deformačnému vektoru a je mu v opačnom smere.
kde k je koeficient pružnosti, L je veľkosť elastickej deformácie.
Pomocou gravitačnej sily nazývajte silu, ktorou sa všetky telesá na svete navzájom priťahujú (pozri § 2-a). Druhom gravitačnej sily je gravitácia – sila, ktorou je k nej priťahované teleso nachádzajúce sa v blízkosti planéty. Napríklad aj raketa umiestnená na Marse je ovplyvnená gravitáciou.
Gravitácia vždy smerované do stredu planéty. Obrázok ukazuje, že Zem priťahuje chlapca a loptičku silami smerujúcimi nadol, teda do stredu planéty. Ako vidíte, smer zostupu je odlišný pre rôzne miesta na planéte. To bude platiť pre ostatné planéty a vesmírne telesá. Gravitácii sa budeme podrobnejšie venovať v § 3d.
Trecia sila nazývaná sila, ktorá bráni jednému telesu skĺznuť po povrchu druhého. Pozrime sa na výkres. Prudké brzdenie auta je vždy sprevádzané „pískaním bŕzd“. Tento zvuk vzniká v dôsledku kĺzania pneumatík na asfalte. V tomto prípade sa pneumatiky veľmi opotrebúvajú, pretože medzi kolesami a vozovkou pôsobí trecia sila, ktorá zabraňuje šmyku.
Trecia sila smeruje vždy proti smeru (možného) kĺzania predmetného telesa po povrchu iného. Napríklad, keď auto prudko zabrzdí, jeho kolesá sa prešmyknú dopredu, čo znamená, že sila trenia na vozovke, ktorá na ne pôsobí, smeruje opačným smerom, teda dozadu.
Sila trenia nevzniká len vtedy, keď sa jedno teleso kĺže po povrchu druhého. Existuje aj statická trecia sila. Napríklad pri odtláčaní topánkou z cesty nepozorujeme, že sa šmýka. V tomto prípade vzniká statická trecia sila, vďaka ktorej sa posúvame vpred. Bez tejto sily by sme nedokázali urobiť ani krok, ako napríklad na ľade.
Silou Archimeda(alebo vztlaková sila) je sila, ktorou kvapalina alebo plyn pôsobí na teleso v nej ponorené - vytláča ho. Obrázok ukazuje, že voda pôsobí na bublinky vzduchu vydychované rybami – vytláča ich na hladinu. Voda pôsobí aj na ryby a kamene – znižuje ich hmotnosť (sila, ktorou kamene tlačia na dno).
Sila odporu. Sila pôsobiaca na teleso počas jeho translačného pohybu v kvapaline alebo plyne sa nazýva odporová sila.
Odporová sila závisí od rýchlosti telesa voči vonkajšiemu prostrediu a smeruje opačne k vektoru rýchlosti telesa.
kde k je koeficient úmernosti v závislosti od rýchlosti telesa voči médiu, V je modul rýchlosti telesa voči médiu.
Sila gravitačnej príťažlivosti.
Gravitačná interakcia medzi telesami sa uskutočňuje prostredníctvom gravitačného poľa.
Gravitačné sily smerujú pozdĺž jednej priamky spájajúcej interagujúce body, t.j. sú ústredné sily.
Zákon univerzálnej gravitácie:
Medzi dvoma hmotnými bodmi sú sily vzájomnej príťažlivosti, úmerné súčinu hmotností bodov, nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
kde G = 6,67 · 10^-11 (N m^2) / kg^2 je gravitačná konštanta, m1, m2 sú gravitačné hmotnosti hmotných bodov, R je vzdialenosť medzi hmotnými bodmi.
Zákon univerzálnej gravitácie platí aj pre homogénne guľové telesá. V tomto prípade je R vzdialenosť medzi ťažiskami telies.
Všetky procesy okolo nás sa vyskytujú v dôsledku pôsobenia jednej alebo druhej fyzickej sily. S jej prejavom sa človek stretáva všade, od toho, že musí vynaložiť silu, aby ráno vstal z postele, až po pohyby masívnych vesmírnych objektov. Tento článok je venovaný otázkam, čo je sila vo fyzike a aké typy existujú.
Koncept sily
Začnime uvažovať o otázke, čo je sila vo fyzike s jej definíciou. Rozumie sa, že je to veličina schopná meniť veľkosť pohybu príslušného telesa. Matematický výraz pre túto definíciu je:
Tu dp¯ je zmena hybnosti (inak sa nazýva hybnosť), dt je časový úsek, počas ktorého sa mení. To ukazuje, že F¯ (sila) je vektor, to znamená, že na jeho určenie je potrebné poznať modul (absolútnu hodnotu) aj smer jeho pôsobenia.
Ako viete, impulz sa meria v kg*m/s. To znamená, že F¯ sa vypočíta v kg*m/s2. Táto jednotka merania sa v SI nazýva newton (N). Keďže jednotka m/s 2 je mierou lineárneho zrýchlenia v klasickej mechanike, druhý zákon Isaaca Newtona automaticky vyplýva z definície sily:
V tomto vzorci je a¯ = dv¯/dt zrýchlenie.
Tento vzorec sily vo fyzike ukazuje, že v newtonovskej mechanike je veličina F¯ charakterizovaná zrýchlením, ktoré môže udeliť telesu s hmotnosťou m.
Klasifikácia druhov síl
Téma sily vo fyzike je pomerne široká a pri podrobnom skúmaní ovplyvňuje základné pojmy o štruktúre hmoty a procesoch prebiehajúcich vo vesmíre. V tomto článku sa nebudeme zaoberať pojmom relativistická sila (procesy prebiehajúce rýchlosťou blízkou svetla) a sila v kvantovej mechanike, ale obmedzíme sa len na jej popis pre makroskopické objekty, ktorých pohyb je určený zákonmi klasickej mechanika.
Takže na základe každodenného pozorovania procesov v každodennom živote a prírode možno rozlíšiť tieto typy sily:
- gravitácia (gravitácia);
- vplyv podpory;
- trenie;
- napätie;
- elasticita;
- spätný ráz.
Rozširujúc otázku, čo je sila vo fyzike, zvážme každý z vymenovaných typov podrobnejšie.
Newtonova univerzálna gravitácia
Vo fyzike sa gravitačná sila prejavuje priťahovaním dvoch objektov s konečnou hmotnosťou. Gravitácia je v porovnaní s elektrickými alebo jadrovými silami dosť slabá. Prejavuje sa v kozmickom meradle (pohyb planét, hviezd, galaxií).
V 17. storočí Isaac Newton, študujúci pohyb planét okolo Slnka, dospel k formulácii zákona nazývaného univerzálna gravitácia. Vo fyzike je vzorec pre gravitačnú silu napísaný takto:
Experimentálne určenie hodnoty G uskutočnil až koncom 18. storočia Henry Cavendish, ktorý pri svojom experimente použil torznú rovnováhu. Tento experiment umožnil určiť hmotnosť našej planéty.
Vo vyššie uvedenom vzorci, ak je jedným z telies naša Zem, potom sa gravitačná sila pre akýkoľvek objekt nachádzajúci sa v blízkosti zemského povrchu rovná:
F = G*M*m/R2 = m*g,
kde g = G*M/R2
Tu je M hmotnosť planéty, R je jej polomer (vzdialenosť medzi telom a stredom Zeme sa približne rovná polomeru Zeme). Posledný výraz je matematickým vyjadrením veličiny bežne nazývanej telesná hmotnosť, teda:
Výraz ukazuje, že vo fyzike je gravitačná sila ekvivalentná hmotnosti telesa. Hodnota P sa meria tak, že poznáme reakčnú silu podpery, na ktorej sa dané teleso nachádza.
Reakcia nosnej plochy
Prečo ľudia, domy a iné predmety nespadnú pod zem? Prečo kniha položená na stole nespadne? Tieto a ďalšie podobné skutočnosti vysvetľuje existencia sily reakcie podpory, ktorá sa často označuje písmenom N. Už z názvu je zrejmé, že ide o charakteristiku dopadu na teleso povrchu, na ktorom je Nachádza.
Na základe zaznamenaného faktu rovnováhy môžeme napísať výraz:
(pre horizontálnu polohu tela)
To znamená, že podporná sila je rovnaká ako hmotnosť tela, ak je na vodorovnom povrchu, a má opačný smer. Ak sa teleso nachádza na naklonenej rovine, potom sa N vypočíta pomocou goniometrickej funkcie (sin(x) alebo cos(x)), pretože P je vždy nasmerované do stredu Zeme (dole) a N je nasmerované kolmo. do roviny povrchu (hore).
Pochopenie dôvodu vzniku sily N presahuje klasickú mechaniku. V skratke povedzme, že je to priamy dôsledok takzvaného Pauliho vylučovacieho princípu. Podľa nej nemôžu byť dva elektróny v rovnakom stave. Táto skutočnosť vedie k tomu, že ak priblížite dva atómy k sebe, elektrónové obaly sa napriek ich 99% prázdnote nebudú môcť navzájom preniknúť a medzi nimi sa objaví silné odpudzovanie.
Trecia sila
Vo fyzike nie je tento typ silového pôsobenia menej častý ako ten, o ktorom sme hovorili vyššie. K treniu dochádza vždy, keď sa predmet začne pohybovať. Vo fyzike je trecia sila zvyčajne klasifikovaná ako jeden z 3 typov:
- mier;
- sklz;
- valcovanie.
Prvé dva typy sú opísané nasledujúcim výrazom:
Tu je μ koeficient trenia, ktorého hodnota závisí od druhu sily (pokoj alebo trenie), ako aj od materiálov trecích plôch.
Valivé trenie, ktorého hlavným príkladom je pohyblivé koleso, sa vypočíta podľa vzorca:
R je tu polomer kolesa, f je koeficient, ktorý sa od μ líši nielen hodnotou, ale aj rozmerom (μ je bezrozmerné, f sa meria v jednotkách dĺžky).
Akýkoľvek typ trecej sily je vždy nasmerovaný proti pohybu, je priamo úmerný sile N a nezávisí od oblasti kontaktu povrchov.
Príčinou vzniku trenia medzi dvoma povrchmi je prítomnosť mikro-nehomogenít na nich, čo vedie k ich „zachyteniu“ ako malých háčikov. Toto jednoduché vysvetlenie je pomerne dobrou aproximáciou skutočného procesu, ktorý je oveľa zložitejší a na úplné pochopenie vyžaduje zváženie interakcií v atómovom meradle.
Uvedené vzorce sa vzťahujú na trenie pevných látok. V prípade tekutých látok (kvapaliny a plyny) je prítomné aj trenie, len sa ukazuje ako úmerné rýchlosti objektu (druhá mocnina rýchlosti pre rýchle pohyby).
Napínacia sila
Čo je to sila vo fyzike, keď uvažujeme o pohybe bremien pomocou lán, lán a káblov? Nazýva sa to napínacia sila. Zvyčajne sa označuje písmenom T (pozri obrázok vyššie).
Keď sa zvažujú fyzikálne problémy zahŕňajúce napínaciu silu, často zahŕňajú taký jednoduchý mechanizmus, ako je blok. Umožňuje presmerovať pôsobiacu silu T. Špeciálne konštrukcie blokov poskytujú zvýšenie sily aplikovanej na zdvíhanie bremena.
Fenomén elasticity
Ak sú deformácie pevnej látky malé (do 1%), potom po pôsobení vonkajšej sily úplne zmiznú. Počas tohto procesu funguje deformácia a vytvára takzvanú elastickú silu. Pre pružinu je táto veličina opísaná Hookovým zákonom. Zodpovedajúci vzorec je:
Tu x je veľkosť posunutia pružiny z jej rovnovážneho stavu (absolútna deformácia), k je koeficient. Znamienko mínus vo výraze ukazuje, že elastická sila je nasmerovaná proti akejkoľvek deformácii (ťah a stlačenie), to znamená, že má tendenciu obnoviť rovnovážnu polohu.
Fyzikálny dôvod vzniku elastických a ťahových síl je rovnaký; spočíva vo výskyte príťažlivosti alebo odpudzovania medzi atómami látky, keď sa mení rovnovážna vzdialenosť medzi nimi.
Každý vie, že pri streľbe z akejkoľvek strelnej zbrane dochádza k takzvanému spätnému rázu. Prejavuje sa to tak, že pažba pištole zasiahne rameno strelca a pri vyletení náboja z ústia sa tank alebo pištoľ odkotúľa späť. To všetko sú prejavy sily darovania. Vzorec je podobný tomu, ktorý je uvedený na začiatku článku pri definovaní pojmu „sila“.
Ako asi tušíte, dôvodom vzniku síl spätného rázu je prejav zákona zachovania hybnosti systému. Guľka vyrazená z hlavne pištole prenáša presne ten istý impulz, s ktorým pažba zasiahne rameno strelca, v dôsledku čoho zostáva celkový objem pohybu konštantný (rovnajúci sa nule pre relatívne stacionárny systém).
Existuje množstvo zákonov, ktoré charakterizujú fyzikálne procesy pri mechanických pohyboch telies.
Rozlišujú sa tieto základné zákony fyziky:
- zákon gravitácie;
- zákon univerzálnej gravitácie;
- zákony trecej sily;
- zákon elastickej sily;
- Newtonove zákony.
Zákon gravitácie
Poznámka 1
Gravitácia je jedným z prejavov pôsobenia gravitačných síl.
Gravitácia je reprezentovaná ako sila, ktorá pôsobí na teleso zo strany planéty a dáva mu zrýchlenie v dôsledku gravitácie.
Voľný pád môžeme uvažovať v tvare $mg = G\frac(mM)(r^2)$, z čoho získame vzorec pre zrýchlenie voľného pádu:
$g = G\frac(M)(r^2)$.
Vzorec na určenie gravitácie bude vyzerať takto:
$(\overline(F))_g = m\overline(g)$
Gravitácia má určitý vektor rozloženia. Smeruje vždy kolmo nadol, teda k stredu planéty. Telo je neustále vystavené gravitácii a to znamená, že je vo voľnom páde.
Trajektória pohybu pod vplyvom gravitácie závisí od:
- modul počiatočnej rýchlosti objektu;
- smer rýchlosti tela.
S týmto fyzikálnym javom sa človek stretáva každý deň.
Gravitáciu možno vyjadriť aj vzorcom $P = mg$. Pri zrýchľovaní vplyvom gravitácie sa berú do úvahy aj dodatočné veličiny.
Ak vezmeme do úvahy zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Isaac Newton, všetky telesá majú určitú hmotnosť. Priťahujú sa k sebe silou. Bude sa nazývať gravitačná sila.
$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$
Táto sila je priamo úmerná súčinu hmotností dvoch telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, kde $G$ je gravitačná konštanta a má podľa medzinárodného systému Konštantná hodnota merania SI.
Definícia 1
Hmotnosť je sila, ktorou teleso pôsobí na povrch planéty potom, čo nastane gravitácia.
V prípadoch, keď je telo v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne pozdĺž vodorovného povrchu, potom sa hmotnosť bude rovnať reakčnej sile podpory a bude sa zhodovať s veľkosťou gravitačnej sily:
Pri rovnomerne zrýchlenom vertikálnom pohybe sa bude hmotnosť líšiť od gravitačnej sily na základe vektora zrýchlenia. Keď je vektor zrýchlenia nasmerovaný opačným smerom, nastáva stav preťaženia. V prípadoch, keď sa teleso a podpera pohybujú so zrýchlením $a = g$, potom sa hmotnosť bude rovnať nule. Stav nulovej hmotnosti sa nazýva stav beztiaže.
Sila gravitačného poľa sa vypočíta takto:
$g = \frac(F)(m)$
Množstvo $F$ je gravitačná sila, ktorá pôsobí na hmotný bod s hmotnosťou $m$.
Telo je umiestnené v určitom bode poľa.
Potenciálna energia gravitačnej interakcie dvoch hmotných bodov s hmotnosťou $m_1$ a $m_2$ musí byť od seba vo vzdialenosti $r$.
Potenciál gravitačného poľa možno nájsť pomocou vzorca:
$\varphi = \Pi / m$
Tu $П$ je potenciálna energia hmotného bodu s hmotnosťou $m$. Je umiestnený v určitom bode poľa.
Zákony trenia
Poznámka 2
Trecia sila vzniká pri pohybe a smeruje proti kĺzaniu telesa.
Statická trecia sila bude úmerná normálnej reakcii. Statická trecia sila nezávisí od tvaru a veľkosti trecích plôch. Statický koeficient trenia závisí od materiálu telies, ktoré prichádzajú do kontaktu a vytvárajú treciu silu. Zákony trenia však nemožno nazvať stabilnými a presnými, pretože vo výsledkoch výskumu sa často pozorujú rôzne odchýlky.
Tradičné písanie trecej sily zahŕňa použitie koeficientu trenia ($\eta$), $N$ je normálna tlaková sila.
Rozlišuje sa tiež vonkajšie trenie, valivá trecia sila, klzná trecia sila, viskózna trecia sila a iné typy trenia.
Zákon elastickej sily
Elastická sila sa rovná tuhosti tela, ktorá sa vynásobí veľkosťou deformácie:
$F = k \cdot \Delta l$
V našom klasickom silovom vzorci na hľadanie elastickej sily zaujímajú hlavné miesto hodnoty tuhosti telesa ($k$) a deformácie telesa ($\Delta l$). Jednotkou sily je newton (N).
Podobný vzorec môže opísať najjednoduchší prípad deformácie. Bežne sa nazýva Hookov zákon. Uvádza, že pri pokuse o deformáciu telesa akýmkoľvek dostupným spôsobom bude mať elastická sila tendenciu vrátiť tvar objektu do jeho pôvodnej podoby.
Na pochopenie a presný opis fyzikálneho javu sú zavedené ďalšie pojmy. Koeficient elasticity ukazuje závislosť od:
- vlastnosti materiálu;
- veľkosti tyčí.
Rozlišuje sa najmä závislosť od rozmerov tyče alebo plochy prierezu a dĺžky. Potom sa koeficient pružnosti telesa zapíše v tvare:
$k = \frac(ES)(L)$
V tomto vzorci je veličina $E$ modul pružnosti prvého druhu. Nazýva sa aj Youngov modul. Odráža mechanické vlastnosti určitého materiálu.
Pri výpočtoch priamych tyčí je Hookov zákon napísaný v relatívnej forme:
$\Delta l = \frac(FL)(ES)$
Je potrebné poznamenať, že aplikácia Hookovho zákona bude účinná len pri relatívne malých deformáciách. Ak je prekročená úroveň limitu proporcionality, potom sa vzťah medzi deformáciami a napätiami stáva nelineárnym. Pre niektoré médiá sa Hookov zákon nedá aplikovať ani pri malých deformáciách.
